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Submitted on 25 Jun 2020
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thermique-mécanique-électrique dans les contacts
électriques : application à l’élaboration d’un modèle de
durée de vie d’un contacteur
Aurelien Fouque
To cite this version:
Aurelien Fouque. Contribution à l’étude du couplage thermique-mécanique-électrique dans les contacts électriques : application à l’élaboration d’un modèle de durée de vie d’un contacteur. Electronique. Université Paris-Saclay, 2020. Français. �NNT : 2020UPASC001�. �tel-02880580�
Thè
se
d
e
d
octorat
: 2020UP ASC001thermique-mécanique-électrique dans
les contacts électriques : application à
l’élaboration d’un modèle de durée de
vie d’un contacteur
Thèse de doctorat de l’Université Paris-Saclay
École doctorale n◦ 575 : Electrical, Optical, Bio-Physics and
Engineering (EOBE) Spécialité de doctorat : Génie électrique
Unité de recherche : Université Paris-Saclay, CentraleSupélec, CNRS, Laboratoire de Génie Électrique et Électronique de Paris, 91192, Gif-sur-Yvette, FRANCE Référent : CentraleSupélec
Thèse présentée et soutenue à Gif-sur-Yvette, le 29 janvier 2020, par
Aurélien FOUQUE
Composition du jury :
Philippe TEULET Président du jury
Professeur, Université de Toulouse (LAPLACE)
Jean-Marc BAUCHIRE Rapporteur
Professeur des Universités, Université d’Orléans (GREMI)
Kacem SAI Rapporteur
Professeur, ENI Sfax, Tunisie
Lahouari BENABOU Examinateur
Maître de Conférences HDR, Université de Versailles Saint-Quentin (LISV)
Georges CAILLETAUD Examinateur
Professeur, MINES ParisTech, PSL (Centre des Matériaux)
Romaric LANDFRIED Examinateur
Enseignant-chercheur, CentraleSupélec (GeePs)
Sylvain LECLERCQ Examinateur
Ingénieur HDR, EDF Chinon
Frédéric HOUZÉ Directeur de thèse
Chargé de Recherche HDR, CNRS (GeePs)
Vladimir ESIN Invité
Chargé de Recherche HDR, MINES ParisTech, PSL (Centre des Matériaux)
Marina LISNYAK Invitée
Ingénieure Docteure, Experte Coupure BT, Schneider Electric Eybens
Jean-Luc PONTHENIER Invité
Schneider Electric
Manuscrit de Thèse de Doctorat
Contribution à l’étude du couplage
thermique-mécanique-électrique dans
les contacts électriques : application
à l’élaboration d’un modèle de durée
de vie d’un contacteur
Aurélien Fouque
@centralesupelec.fr | @mines-paristech.fr
encadré par :
GeePs : Philippe Testé | Romaric Landfried | Frédéric Houzé
Centre des Matériaux : Georges Cailletaud | Vladimir Esin | Vladislav Yastrebov Schneider : Alexandre Bonhomme | François Chaudot | Jean-Luc Ponthenier | Marina
Lisnyak
LabEx Systèmes et Ingénierie du Plateau de Saclay
Un contacteur est un dispositif électromécanique destiné à établir ou couper un courant électrique dans un circuit par la fermeture ou l’ouverture de contacts. Lors de chaque manœuvre, un arc électrique est créé entre les «pastilles» des contacts, conduisant par l’énorme densité de puissance mise en jeu à atteindre et dépasser localement la température de fusion du matériau. De ce fait, l’action répétée des arcs durant la vie de l’appareil (jusqu’à plusieurs centaines de milliers de cycles ouverture/fermeture) mène progressivement à la «ruine» des pastilles des contacts et au dysfonctionnement du contacteur. Le travail de thèse vise à proposer des outils de modélisation de l’endommagement des pastilles de contact sous l’effet des arcs, dans l’objectif à plus long terme de prédire la durée de vie du contacteur selon ses conditions d’utilisation. Le matériau considéré est un pseudo-alliage en argent et oxyde d’étain. Dans un premier temps, plusieurs campagnes expérimentales ont été menées pour réunir toutes les données d’entrée indispensables aux modélisations : détermination des propriétés thermomécaniques du matériau, caractérisation des endommagements – en surface et en profondeur – produits par un arc unique et par une accumulation d’arcs, estimation de la densité de puissance apportée par un arc au matériau de contact. De nombreuses techniques ont ainsi été mises en œuvre : essais de traction monotone et de chargement cyclique, indentation (microdureté), profilométrie 3D, microscopies optique et électronique à balayage, analyses EDS et EBSD, imagerie par caméras thermique et ultrarapide. Puis deux types de modèles ont été successivement développés. Le premier utilise le code de calcul par éléments finis Z-set. Développé en géométrie axisymétrique, il vise à décrire au sein du matériau l’évolution des températures, contraintes et déformations résultant d’un arc (supposé fixe), puis l’amorçage de fissures au terme de quelques centaines d’impacts au même point. Une variante 3D a ensuite été abordée pour approcher le cas d’arcs mobiles. Le second modèle, de nature phénoménologique, repose sur des descriptions simplifiées de la topographie et de la teneur en argent au voisinage de la surface, ainsi que sur des règles d’occurrence et de distribution spatiale, issues autant que possible des observations expérimentales. Il est destiné à simuler dans un temps de calcul raisonnable les dommages résultant du cumul d’un très grand nombre d’arcs sur toute la surface des pastilles.
A contactor is an electromechanical device designed to establish or disconnect an electrical current in a circuit by closing or opening contacts. During each operation, an electric arc is created, due to the enormous power density involved to reach and locally exceed the melting temperature of the material. As a result, the repeated action of the arcs during the life of the device (up to several hundred thousand closing/opening cycles) gradually leads to the ruin of the contact pads and the malfunction of the contactor. The thesis work aims to propose tools for modelling the damage of contact pads under the effect of repeated impacts, with the longer-term objective of predicting the life of the contactor according to its operating conditions. The material considered is a pseudo-alloy made of silver and tin oxide SnO2. As a first step, several experimental campaigns were carried out
to collect all the input data required for modelling : determination of the thermomechanical properties of the material, characterization of damage – surface and bulk – produced by a single arc and by an accumulation of arcs, estimation of the power density provided by an arc to the contact material. Many experimental techniques have been used : monotonous tensile tests and cyclic loading, indentation (microhardness), 3D profilometry, optical microscopy and scanning electron microscopy, EDS and EBSD analysis, thermal imaging camera, high speed camera. Then two types of models were successively developed. The first one uses the Z-set finite element code. Developped in an axisymmetric geometry, it aims to describe within the material the evolution of temperatures, stresses and strains resulting from an arc (assumed fixed), then the initiation of cracks after a few hundred of impacts at the same point. A 3D variant was then discussed to approach the case of moving arcs. The second model, of a phenomenological nature, is based on simplified descriptions of topography and tensile strength in silver in the vicinity of the surface, as well as on rules of occurrence and spatial distribution, taken as much as possible from experimental observations. It is intended to simulate in a manageable calculation time the damage resulting from the accumulation of a very large number of arcs over the entire surface of the pellets.
Je remercie en premier lieu l’encadrement de Romaric Landfried, Philippe Testé et de mon directeur de thèse Frédéric Houzé du laboratoire GeePs qui ont été présents du début à la fin de ce doctorat ainsi que pour l’accompagnement lors des essais électriques. Je remercie également l’encadrement du Centre des Matériaux avec Vladimir Esin, Vladislav Yastrebov et Georges Cailletaud qui sont intervenus à des moments stratégiques du projet. L’entreprise Schneider a aussi beaucoup contribué à cette étude, avec Alexandre Bon-homme, Jean-Luc Ponthenier, Marina Lisnyak, François Chaudot et Christophe Kilindjian, pour cela je remercie ces personnes.
Cette thèse a été l’occasion pour moi d’utiliser des machines géniales, comme les microscopes électroniques à balayage, pour cela je tiens à remercier les personnes qui ont pu me former et m’aider comme Vladimir Esin, Antoine Debray, Fabrice Gaslain, Gérard Brabant, Maria Simões et Kévin Barrière. Je remercie David Alamarguy pour les analyses chimiques poussés en surface des électrodes. Merci à Jean-Luc Ponthenier pour la mise en œuvre de la fameuse machine «Saturne» ! Merci à Thierry Leblanc pour sa formation et son aide sur le profilomètre optique.
Un merci à Alain Köster, Matthieu Rambaudon et Anthony Chesnaud pour m’avoir permis d’utiliser les machines pour les essais mécaniques d’écrouissage et de mesures de dilatation thermomécanique. Quelques soucis techniques ont été résolus et la production ou rectification d’éprouvettes dans les ateliers des différents laboratoires ont été effectués par Frédéric Coutard, René Cluzet, Vasco Cabral Lopes, Christophe Meurin, Michel Police et Richard Andlauer, merci à eux.
Le principal outil de travail pour stocker les données, les travailler et rédiger le mémoire étant mon ordinateur, je remercie les services informatiques pour leur support, représentés par Gregory Sainte-Luce, Patrice Viotti, Mickaël Siry, Olivier Hubert et Anthony Guindon. Je remercie les techniciens qui m’ont permis d’avoir des pastilles de contacteurs testés en condition AC-3, c’est-à-dire Michel Bézout et Michel Parent, Grigori Delcarmine et Stéphane Serges.
Merci à ceux qui ont réalisé les éprouvettes, Sybille Normant, Claude Bonifaci et son équipe. Les attaques chimiques ont été un élément clef dans la thèse, je remercie donc Antoine Debray, David Alamarguy et Valérie Michez. De nouveau, merci à Valérie pour la production d’électrodes fines. Je remercie Georges Cailletaud et Vladislav Yastrebov pour leur support sur les deux types de simulation : le fantastique logiciel maison Zébulon pour les simulations thermomécaniques et le programme Python pour le modèle phénomé-nologique. Merci à Nathalie Nitharum, Léonor Pereira Alves et Catherine Rouil pour le
support logistique.
Je remercie mes collègues des différents laboratoires : Anass, Faisal, Jan, Richi, Jennifer, Anthony, Rudy, Harris, Lisa, Liliana, Nicolas, Mohamed, Madjda, Mokrane, Régis, Hélène, Youssef et tous les autres, pardon à ceux qui ne figurent pas dans la liste mais que je n’oublie pas ! Les rigolades, les sorties au restaurant, les séances de natation et les parties de football ont contribué à ce que j’arrive jusqu’à la soutenance. Merci à mes potes d’enfance pour leur soutien moral et leur présence depuis tant d’années : Baptiste, Jessy, Pierre, Amandine, Fabien, Céline et Gary.
J’ai une pensée pour mes grands-parents disparus avant et pendant la thèse, j’espère que de là-haut il peuvent toujours me voir... Je remercie mes parents et ma sœur Pauline pour le soutien moral et logistique. Enfin, je remercie ma chérie, Cláudia, pour son amour.
Résumé I
Abstract II
Remerciements III
Introduction générale 1
1 Rappels généraux sur l’arc électrique et les contacteurs 4
1.1 Rappels concernant l’arc électrique . . . 4
1.2 Contacteur, principe de fonctionnement et endommagement . . . 7
1.2.1 Principe de fonctionnement . . . 7
1.2.2 Matériaux d’électrodes . . . 15
1.2.3 Endommagement des pastilles de contact . . . 17
1.3 Contacteur D115 de Schneider Electric . . . 18
1.3.1 Architecture . . . 18
1.3.2 Dispositifs d’extinction des arcs . . . 20
1.4 Catégories d’utilisation des contacteurs en endurance électrique . . . 21
1.5 Conclusion des rappels généraux . . . 23
2 Étude des propriétés du matériau constituant les contacts 25 2.1 Conductivités et capacités thermiques . . . 25
2.1.1 Rappel des équations . . . 25
2.1.2 Matériel utilisé pour les mesures . . . 26
2.1.3 Valeurs mesurées en phase solide . . . 27
2.1.4 Valeurs calculées en phase liquide . . . 27
2.2 Dilatation thermique . . . 30
2.2.1 État de l’art . . . 30
2.2.2 Mesures réalisées dans le cadre de notre étude . . . 30
2.3 Essais mécaniques. . . 33
2.3.1 État de l’art . . . 33
2.3.2 Équipement et méthodes employées . . . 38
2.3.3 Essais mécaniques réalisés . . . 41
2.3.4 Identification des paramètres pour les trois matériaux . . . 47
2.3.5 Faciès de rupture . . . 47
2.4 Dureté . . . 49
2.4.1 État de l’art . . . 49
2.5 Conclusion sur les propriétés du matériau. . . 52
3 Endommagement sous l’action de l’arc 54 3.1 Essais électriques simplifiés . . . 54
3.1.1 Machine «Saturne» . . . 54
3.1.2 Endommagement généré par un arc . . . 58
3.1.3 Endommagements générés après plusieurs arcs . . . 71
3.2 Essais en conditions AC-3 . . . 84
3.2.1 Principe des essais interrompus . . . 84
3.2.2 Description de l’endommagement provoqué lors des essais AC-3 . . 86
3.2.3 Étude microstructurale des endommagements . . . 89
3.3 Conclusion sur l’endommagement des pastilles . . . 100
4 Estimation du bilan de puissance aux électrodes 103 4.1 Introduction . . . 103
4.2 Description du bilan de puissance . . . 104
4.2.1 Introduction . . . 104
4.2.2 Deux approches pour décrire les interactions arc–électrodes . . . 105
4.2.3 Phénomènes physiques à l’échelle microscopique : bilan de puissance 106 4.2.4 Le bilan de puissance à une échelle macroscopique . . . 109
4.3 Observation des cratères et zones fondues. . . 112
4.3.1 Introduction . . . 112
4.3.2 Description des endommagements . . . 112
4.3.3 Profilométrie et modélisation numérique pour le bilan de puissance 115 4.3.4 Zones fondues observées à l’optique et à l’EBSD . . . 119
4.4 Cartographie thermique . . . 127
4.4.1 Introduction . . . 127
4.4.2 État de l’art sur les mesures de températures d’électrodes. . . 128
4.4.3 Description du dispositif expérimental et méthode de mesure . . . . 130
4.4.4 Un exemple de résultat expérimental et de dépouillement . . . 133
4.4.5 Synthèse d’autres résultats . . . 137
4.5 Évolution du rayon fondu à l’arrière de l’électrode . . . 144
4.5.1 Introduction . . . 144
4.5.2 Un exemple de résultats et d’analyse . . . 145
4.6 Conclusion du bilan de puissance . . . 147
5 Modélisation thermomécanique de l’apparition des fissures 151 5.1 Introduction . . . 151
5.1.1 Résumé des phénomènes physiques observés et leurs conséquences . 151 5.1.2 Problème physique considéré dans ce chapitre et procédure numé-rique associée . . . 151
5.2 Modèle axisymétrique pour un arc fixe . . . 154
5.2.1 Géométrie et maillage . . . 154
5.2.2 Calcul thermique . . . 154
5.2.3 Calcul mécanique . . . 158
5.2.4 Post-traitement de fatigue . . . 163
5.3 Calcul 3D . . . 166
5.3.3 Calcul mécanique de référence . . . 168
5.3.4 Calcul thermique avec un arc mobile . . . 170
5.3.5 Calcul mécanique avec arc mobile . . . 171
5.4 Conclusion de la modélisation thermo-mécanique . . . 175
6 Modèle de démixtion multi-arcs 177 6.1 Introduction . . . 177
6.2 Principe du calcul. . . 178
6.2.1 Géométrie de départ . . . 178
6.2.2 Forme du cratère . . . 179
6.2.3 Proposition d’un modèle déterminant la position de l’arc . . . 182
6.2.4 Gestion de l’épaisseur des amas d’argent . . . 187
6.2.5 Définition d’un critère d’arrêt correspondant à la soudure du contact189 6.3 Mise en œuvre numérique des modèles . . . 190
6.4 Application du modèle simplifié MADeM-S . . . 192
6.4.1 Évolution de la géométrie . . . 192
6.4.2 Application du modèle MADeM-S à des essais effectués sur la ma-chine Saturne . . . 193
6.4.3 Application du modèle MADeM-S à une pastille testée en condition AC-3 . . . 198
6.5 Application du modèle MADeM . . . 211
6.5.1 Rappel des paramètres et des équations du modèle . . . 211
6.5.2 Résultats . . . 213
6.5.3 Étude paramétrique. . . 216
6.6 Conclusion du modèle multi-arc . . . 220
Conclusion et perspectives 223 A Propriétés du matériau 225 A.1 Mise en donnée de la dilatation thermique . . . 225
A.2 Paramètres identifiés dans la loi de comportement . . . 226
B Endommagement du matériau 228 B.1 Rivets «Saturne» . . . 228
B.2 Essais AC-3 . . . 234
B.2.1 Photographies de surface des pastille . . . 234
C Simulation de l’amorçage 255 C.1 Post-traitement de fatigue . . . 255
D Modèle de démixtion multi-arcs 257 D.1 Artefact de calcul . . . 257
Références 261
Liste des tableaux 268
Le travail présenté dans ce manuscrit s’inscrit dans le cadre d’une collaboration entre le Laboratoire de Génie électrique et électronique de Paris, le Centre des Matériaux de MINES ParisTech et la société Schneider Electric. Il a été financé en partie par une bourse du LABEX Laboratoire Systèmes et Ingénierie du Plateau de Saclay. Il concerne la modélisation de l’endommagement progressif des pastilles de contact dans un contacteur et a pour objectif, à terme, la proposition d’une méthodologie en vue d’estimer la durée de vie d’un contacteur.
Les contacteurs sont des dispositifs électromécaniques qui permettent de commander à distance un groupe d’appareils (moteurs électriques, . . . ) en interrompant ou en établissant un courant électrique par l’ouverture ou la fermeture de contacts électriques. Lors de chacune de ces opérations, un arc électrique est créé entre les surfaces des électrodes constituant le (ou les) contact(s). Cet arc électrique chauffe intensément les électrodes et leur environnement. L’action répétée des arcs électriques (jusqu’à plusieurs centaines de milliers de cycles de fermeture/ouverture) endommage progressivement les pastilles des contacts, détériorant les performances du composant et menant ainsi à la «ruine» du matériau et par suite au dysfonctionnement du contacteur. Du fait des très nombreux phénomènes physiques impliqués, le dimensionnement d’un contacteur en vue d’optimiser sa durée de vie nécessite une approche qui combine des modèles électriques, thermiques, métallurgiques et mécaniques. En effet, l’énorme densité de puissance mise en jeu lors d’une phase d’ouverture ou de fermeture permet d’atteindre et de dépasser localement la température de fusion. L’éjection ou la vaporisation de matériau de contact contri-buent alors à l’érosion des pastilles, en termes de pertes de masse progressives. D’autres phénomènes, tels que la déformation progressive des surfaces (accumulation de cratères par exemple) ou l’apparition de réseaux de fissures, contribuent aussi à la dégradation des propriétés du contact (résistance de contact, perte de masse. . . ). Enfin, l’évolution spatiale de la composition du matériau est susceptible de provoquer un risque de soudure des pastilles.
L’ampleur de la tâche en vue de proposer un modèle permettant de prévoir le vieillis-sement de pastilles de contact au cours de différents modes de test (par exemple AC-3 ou AC-4) est trop vaste pour faire l’objet d’une seule thèse, d’autant plus que, s’il existe des données dans la littérature sur l’analyse électrique et thermique des contacteurs, les aspects mécaniques ne sont pratiquement pas abordés avec le degré de complexité adapté. L’objectif du travail décrit dans ce mémoire est donc de proposer une première étape originale ouvrant la voie à de futurs développements, en cherchant à renforcer les liens entre les différentes communautés de recherche et en gardant en vue l’application industrielle.
Le premier chapitre présente un état de l’art du problème électrique et des phéno-mènes rencontrés. Après un très rapide rappel sur les propriétés de l’arc électrique, nous nous sommes attachés plus particulièrement à décrire le principe de fonctionnement d’un contacteur et les endommagements subis par les pastilles de contact. S’ensuit une partie concernant la fabrication du matériau de contact, puis le chapitre se termine par la des-cription du composant faisant l’objet de l’étude : le contacteur Schneider Electric D115. En vue de proposer un modèle d’endommagement, la méthode mise en œuvre s’articule autour de trois étapes préalables indispensables, chacune s’appuyant sur une palette de moyens expérimentaux spécifiques.
i) Il faut essayer d’abord d’avoir une bonne connaissance du matériau constituant les pastilles de contacts : dans notre cas il s’agit d’un composite à matrice argent renforcée par de l’oxyde d’étain SnO2 fabriqué au sein de la société Schneider
Electric. Le chapitre 2 est donc consacré à l’estimation de ses propriétés. Les pro-priétés thermiques ayant fait l’objet d’une précédente étude, nous les rappelons brièvement. Nous nous sommes intéressés ensuite plus particulièrement aux pro-priétés mécaniques. Les essais ont été menés sur une large gamme de température. L’approche mécanique adoptée ne modélisant pas explicitement ce qui se passe lorsque le matériau est en phase liquide, la caractérisation concerne la mécanique des matériaux solides. Nous caractérisons ainsi en fonction de la température le comportement élastique (module de Young), la limite d’élasticité et le comporte-ment inélastique, qui est plastique indépendant du temps à température ambiante, et devient progressivement viscoplastique lorsque la température augmente. Les extrapolations réalisées au voisinage et au-delà de la température de fusion per-mettront cependant de représenter un comportement purement visqueux. La base expérimentale comporte à la fois des essais monotones et des essais sous chargement cyclique.
ii) Il faut ensuite disposer de caractérisations les plus complètes possibles des dom-mages provoqués par les arcs sur le matériau des pastilles de contact. C’est l’objet du chapitre 3. Pour des raisons explicitées dans le chapitre 1, nous nous sommes fixés dans un premier temps plus particulièrement sur l’arc d’ouverture. Pour cela un dispositif spécifique a été utilisé qui a permis l’étude des endommagements créés lors de l’ouverture, d’abord par un arc électrique unique, puis par une succession d’arcs (jusqu’à plusieurs dizaines de milliers). Dans les deux cas, l’influence des prin-cipaux paramètres est étudiée à l’aide de divers outils (pesée, profilométrie 3D, EDS, observation en coupe des endommagements par microscopie optique ou EBSD. . . ). Plusieurs niveaux de présentation des résultats sont proposés : une description phénoménologique et une description quantitative en termes de caractérisation des cratères, de pertes de masse ou de cotes, de caractérisation des zones fondues ou d’évolution de la composition de la surface par exemple. Le chapitre se termine sur une étude de l’endommagement des pastilles dans le cas d’une procédure de test de type AC-3, avec des arcs générés dans ce cas non plus seulement à l’ouverture, mais également à la fermeture.
iii) Il faut enfin pouvoir disposer d’une estimation des caractéristiques du bilan de puissance reçue par les électrodes sous l’effet des arcs. Ce point également crucial pour alimenter les modélisations est abordé dans le chapitre 4. Une première étape
décrit brièvement le choix fait quant à la présentation du bilan de puissance. Le reste du chapitre se divise en trois parties consacrées chacune à la description et la mise en œuvre de trois méthodes. Dans les trois cas, on s’appuie sur l’utilisation conjointe de résultats expérimentaux et d’un modèle décrivant l’échauffement des pastilles. La première méthode utilise les résultats du chapitre précédent concernant l’estimation des zones fondues par l’arc. Pour les deuxième et troisième méthodes, un dispositif utilisant des électrodes de formes spécifiques est développé. La deuxième méthode propose une mesure de profils de température à proximité de la zone chauffée par l’arc, et la troisième l’observation de cette même zone à l’aide d’une caméra rapide permettant ainsi de suivre l’évolution d’une zone fondue dans le cas de plus forts courants.
Sur la base des résultats obtenus dans ces trois chapitres à caractère expérimental, deux types de modèles sont proposés pour simuler la dégradation d’une pastille de contact en Ag – SnO2 suite à des impacts répétés d’arcs électriques. Le chapitre 5 met en œuvre un
modèle thermomécanique orienté plus particulièrement sur la dégradation par amorçage de fissures. Il propose une analyse fine de l’effet d’un arc unique, d’abord en termes de champs de température, puis de champs de contrainte et déformation. La modélisation s’effectue à l’aide d’un code de calcul par éléments finis. Le modèle est développé dans un premier temps pour une géométrie axisymétrique. Par sa construction même, celui-ci représente uniquement le cas d’un arc fixe, mais la répétition des impacts au même point (pendant quelques centaines de cycles) débouche sur une estimation du nombre d’arcs nécessaires pour amorcer des fissures macroscopiques dans la pastille. Une approche 3D mettant en jeu un arc mobile permet pour finir de quantifier l’influence bénéfique des procédures où l’on «chasse» l’arc.
Le chapitre 6, quant à lui, vise une approche plus globale, destinée à décrire l’endomma-gement des pastilles de contact au fil de centaines de milliers de manœuvres. Le but est de représenter une évolution réaliste de l’ensemble de la pastille au lieu de se limiter au voisi-nage d’un arc. Il faut donc se contenter d’une représentation plus phénoménologique. Nous retenons dans la description le fait que chaque impact crée un cratère, et qu’il provoque une évolution de la composition chimique au voisinage de la surface. Le but est d’une part de prévoir l’érosion progressive des pastilles, et d’autre part l’accumulation d’amas d’argent, susceptibles de conduire à la soudure des contacts. La mise en œuvre numérique repose sur une conception modulaire, si bien qu’il est facile de tester des hypothèses de travail, concernant justement l’influence de la forme des cratères, les règles d’évolution de la couche d’argent, avec et sans arrachement, et aussi la distribution spatiale des impacts. Deux types de modélisations sont présentés, qui se distinguent dans la manière de sélectionner les points d’impact successifs. La première méthode, la plus simple, consiste à choisir de façon aléatoire un point dans une zone entourant le point le plus haut du profil courant. Une seconde approche, plus proche de la réalité physique, passe par la détermination des zones de contacts en résolvant de façon approchée l’équilibre mécanique, ce qui autorise la prise en compte de zones de contacts multiples.
Rappels généraux sur l’arc électrique
et les contacteurs
L’objectif de l’étude est de modéliser l’endommagement produit par des arcs électriques sur des pastilles de contacts électriques de contacteur. Pour ce faire, nous avons besoin de définir de façon succincte ce qu’est un arc électrique et les principaux phénomènes physiques qu’il met en jeu. Dans notre étude, il s’agit d’un arc apparaissant lors de la fermeture ou lors de l’ouverture d’un contact électrique. Les tensions d’arcs mesurées sont d’une dizaine de volts et l’intensité de courant d’une centaine d’ampères.
Nous présentons ensuite le principe de fonctionnement d’un contacteur : il s’agit à la base d’un actionneur mécanique commandé à distance qui ferme et ouvre un circuit électrique. Lors de son utilisation, des arcs sont générés à la fermeture et à l’ouverture. Il est à noter que pour ce type de contacteur, un système est présent pour chasser l’arc de la pastille et en limiter la dégradation. Ensuite, nous présentons le matériau qui constitue les pastilles de contact électrique. Il s’agit d’un pseudo-alliage d’argent et d’oxyde d’étain (Ag – SnO2) enrichi de quelques additifs, issu de la métallurgie des poudres de l’usine du
Vaudreuil de Schneider Electric. Une revue des endommagements subis sur des pastilles et déjà étudiés dans le passé est également présentée. Une partie est alors consacrée à l’appareillage mettant en œuvre ces pastilles : le contacteur D115 de Schneider Electric.
Enfin nous exposons une catégorie d’emploi des contacteurs donnée par une norme internationale, nommée AC-3. Ceci permet de comprendre les conditions d’endurance électrique dans lesquelles sont testés les contacteurs et l’origine de la dégradation des pastilles de contact. À titre de comparaison, une autre catégorie, AC-4 est présentée, mais il existe de multiples autres catégories d’utilisation.
1.1 Rappels concernant l’arc électrique
L’arc électrique est un milieu ionisé, très lumineux et électriquement neutre. Il est caractérisé par un degré d’ionisation, sans unité, situé entre 10−2 et 10−1, qui est le résultat
de la perte d’un ou plusieurs électrons par un atome. Il correspond au rapport du nombre d’électrons sur le nombre d’électrons plus les neutres.
Différentes catégories d’arcs existent. On fait couramment la distinction entre les arcs dits «basse pression» et «haute pression». C’est la catégorie haute pression qui nous intéresse, les contacteurs travaillant à pression atmosphérique. Dans cette catégorie, les températures des ions, des atomes de gaz neutres et des électrons peuvent être considérées comme égales dans la colonne d’arc (environ 10 000 K). Dans ces conditions, à chaque point dans le volume du plasma, on peut définir une température unique. C’est l’équilibre thermodynamique local [1].
Dans le cadre de notre étude, le matériel opère bien évidemment dans l’air à pression atmosphérique1. D’autres milieux isolants existent comme par exemple l’huile, le vide, l’air comprimé ou le SF62. Mais l’air est d’un point de vue industriel, le plus pratique,
efficace, sûr et le moins cher dans le domaine de la basse tension.
Beaucoup de paramètres influencent énormément le comportement de l’arc, à savoir : — le type d’alimentation : tension du circuit et intensité du courant, en continu ou en
alternatif ;
— les électrodes : type de matériau, état de surface, forme, rugosité, géométrie, orientation,...
— la vitesse et l’accélération de la partie mobile, distance inter-électrodes ; — les interactions avec les parois, céramiques ou plastiques ;
— le gaz : composition, pression,...
Une façon simple de décrire l’arc est de le diviser en plusieurs zones, comme le montre la figure 1.1: la zone cathodique, la colonne d’arc et la zone anodique. La zone cathodique s’étend sur quelques micromètres à quelques dizaines de micromètres au voisinage de la cathode. Elle peut être subdivisée entre la zone de charge d’espace et la zone d’ionisation. La première est l’endroit où le champ électrique va accélérer les électrons émis par la cathode. L’émission, de type froide ou chaude, a été étudiée par Murphy et Good [2]. La seconde est l’endroit où les électrons sont énergétiques et vont ioniser le gaz. D’autres électrons sont libérés et des ions sont créés. Dans cette zone, le plasma d’arc est hors équilibre thermodynamique local.
Les mécanismes conduisant au chauffage des électrodes sous l’action de l’arc ainsi que leur prise en compte dans cette étude seront détaillés dans le chapitre 4.
Un modèle simple pour représenter la tension d’arc est :
Uarc= Vc+ Va + Ed (1.1)
avec :
Uarc tension d’arc (V)
Vc chute de tension cathodique (V)
Va chute de tension anodique (V)
E champ électrique moyen dans la colonne d’arc (V·m−1)
d longueur de la colonne d’arc (m)
1. à P=1013,25 hPa l’air sec contient principalement 78% de N2 et 21% de O2 en volume.
2. ou hexafluorure de soufre, incompatible avec des contacts en Ag à cause du soufre, d’où le choix d’un contact en cuivre.
d V cathode anode Vc Va e− i+ e− extraction bombardement
Figure 1.1 – Représentation schématique de l’arc entre les électrodes distantes de d ; les électrons e−
vont de la cathode vers l’anode ; les ions positifs i+ vont en sens inverse ; V
a et Vc sont les chutes de
potentiel anodique et cathodique ; entre une électrode et les pointillés se trouve la zone de charge d’espace ; entre les pointillés et les tirets se trouve la zone d’ionisation ; la différence de potentiel pour une distance de quelques millimètres est de quelques dizaines de volts.
Pour fixer les idées, on peut donner quelques valeurs typiques de E et Va+ Vc. Pour
de l’Ag – SnO2 dans l’air le champ électrique moyen vaut 3,4 V·mm−1, pour l’argent
4,5 V·mm−1 et pour le cuivre 4 V·mm−1. La somme des tensions anodique et cathodique
vaut environ 15 V pour l’Ag – SnO2, 21 V pour l’argent et 20 V pour le cuivre, dans l’air
[3].
À l’ouverture, l’apparition de l’arc électrique se produit suite à la formation d’un pont fondu. Ceci est sommairement décrit en figure 1.2. L’origine de ce pont fondu est liée à la nature du contact lorsqu’il est fermé et que le courant passe. En effet, dans cette situation, le courant passe par certaines zones appelées «spots de contact». Sur la figure 1.2 nous choisissons, par souci de simplification, le cas d’un unique spot de contact. Les différentes phases lors de l’ouverture sont les suivantes :
a. le courant passe par un spot de contact, avec des lignes de courant représentées par les lignes bleues ;
b. lorsque les électrodes commencent à s’écarter, le diamètre du spot diminue, donc la section diminue, et de fait la densité de courant augmente localement dans le spot ; c. par effet Joule, la température augmente, ce qui entraîne une liquéfaction du
matériau à l’endroit du spot, créant le pont fondu ;
d. les contacts continuant à s’écarter et la température augmentant, à un certain mo-ment le pont devient instable et se rompt, ou se vaporise ce qui entraîne l’amorçage de l’arc électrique.
Des arcs électriques peuvent survenir à d’autres moments. La violence de la fermeture peut amener les pastilles de contact électrique à rebondir. Ces rebonds sont nocifs pour le contact puisque les pastilles réaccostent sur des zones fondues, ce qui peut provoquer des éjections de métal fondu et aussi une soudure du contact.
Les rebonds sont aussi en partie causés par la force de répulsion [4]. Si l’on considère des volumes conducteurs en contact, avec des longueurs très grandes par rapport à leur
a. b.
pont fondu
c.
arc électrique
d.
Figure 1.2 – Formation du pont fondu dans le cas du contact idéal. a. Contact fermé et passage du courant ; b. les électrodes de contact se séparent et le pont se forme ; c. le pont s’étire ; d. le pont rompt et donne naissance à l’arc.
diamètre et au diamètre du spot de contact, les forces causées par le resserrement des lignes de courant électrique sont décrites par :
F = µ0I 2 4π ln r a (1.2) avec : F force (N)
I intensité du courant (A)
r rayon extérieur du contact (m) a rayon du spot de contact (m)
µ0 perméabilité diélectrique du vide = 4π · 10−7H·m−1
L’arc peut être fixe ou mobile. La mobilité est naturelle ou forcée. On parle d’une mobilité forcée lorsque l’on applique volontairement un champ magnétique (par exemple) pour que l’arc se déplace dans une direction voulue. Pour un couple d’électrodes en tungstène dans l’air, on observe un pied d’arc unique, stable et immobile à l’anode, et plusieurs pieds d’arc qui changent de place très rapidement à la cathode [5].
Après avoir présenté la structure du plasma d’arc dans sa globalité ainsi que la manière dont il apparaît, nous allons nous intéresser au principe de fonctionnement d’un contacteur en général puis aux phénomènes d’arcs associés.
1.2 Contacteur, principe de fonctionnement et
en-dommagement
1.2.1 Principe de fonctionnement
Établissement et coupure du courantLe contacteur, avec l’interrupteur par exemple, sert à établir et couper le courant électrique sous tension. Un aperçu de la partie puissance d’un tel composant est proposé en figure 1.3. Le courant est amené et repart par des éléments conducteurs en cuivre. Un contact est constitué de deux électrodes, dans un matériau à base d’argent en général dans le cas de nos applications. Sur chaque phase, il y a deux contacts, donc quatre électrodes.
vers
électroaiman
t
Figure 1.3 – Aperçu de la partie puissance ; à gauche en position fermée, le courant passe ; à droite en position ouverte, le courant est nul.
Sur le schéma de gauche, le ressort principal plaque la partie mobile, le contact est fermé, le courant passe. Des ressorts placés entre les contacts et l’équipage mobile permettent d’exercer une pression de contact. La pression de contact joue un rôle important pour le passage du courant. L’enjeu est en effet d’avoir la résistance de contact la plus faible possible. Sur le schéma de droite, dès que le courant ne passe plus dans l’électroaimant, le ressort principal se détend, les électrodes s’éloignent et s’écartent, le contact est ouvert et le courant ne passe plus.
Ouverture du contact
L’interruption d’un courant dans un circuit électrique en fonctionnement conduit à la formation d’un arc électrique [6]. Si l’on considère un exemple de circuit RL simple, présenté en figure 1.4 d’équation :
e= Ri + Ldi
dt + Uarc (1.3)
L’énergie emmagasinée par la bobine du circuit doit être évacuée et alimente l’arc électrique généré par l’ouverture du circuit :
E = 1
2Li
2 (1.4)
Une partie de cette énergie selfique va être dissipée par l’arc électrique lors de la coupure et va permettre au courant de s’interrompre au moment même ou avant le zéro de courant.
Si Uarc > e alors didt <0 dans l’équation 1.3. En courant alternatif, une coupure parfaite
consisterait à ouvrir au moment où le courant est nul, mais aucun dispositif n’est assez rapide ni assez synchronisé pour y arriver. Il faudrait, durant le zéro de courant, ouvrir le circuit suffisamment vite pour que la distance d’ouverture soit suffisante dès que le courant devient supérieur au courant minimal nécessaire pour l’apparition d’un arc. Voilà pourquoi l’arc est inévitable à l’interruption du courant. Lafigure 1.5montre une photographie prise avec une caméra rapide [7], où l’on peut voir deux arcs électriques en série à l’ouverture, les deux points très lumineux apparaissant entre les pastilles. La figure 1.6 donne un exemple de l’évolution des signaux de tension, courant, distance inter-électrodes lors d’une
Figure 1.4 – Schéma de l’ouverture d’un circuit RL avec les tensions sur chaque dipôle et celle sur l’arc électrique notée Uarc.
Figure 1.5 – Photographie de deux arcs électriques en série à l’ouverture des pastilles de contact lors d’un essai d’endurance AC-3, avec une distance entre pastilles de l’ordre du mm, et un courant interrompu de 100 A.
vitesse ouverture début déplacement équipage mobile ouverture contact apparition arc disparition arc a. b. c.
Figure 1.6 –Exemple de signaux électriques lors de l’ouverture sur machine d’essai d’une paire d’électrodes
en courant monophasé avec une tension d’alimentation 230 V et un courant efficace de 150 A.
ouverture de circuit, en simple contact, dans le cas d’une alimentation en courant alternatif. Le circuit est initialement fermé. Nous pouvons voir en a) l’évolution de l’intensité du courant dans le circuit (150 A efficace soit 212 A crête), en b) l’évolution de la tension mesurée au niveau du contact et en c) l’évolution de la position de l’équipage mobile sur laquelle est fixée la pastille mobile.
Le courant est établi depuis un certain temps à 150 A efficace. L’origine des temps est fixée arbitrairement pour l’explication. La fréquence est de 50 Hz, soit un passage à zéro du courant toutes les 10 ms. La tension au niveau du contact est quasi-nulle, c’est-à-dire de l’ordre de quelques mV. Elle correspond à la chute de tension due à la résistance de contact inférieure au mΩ.
Vers t = 16 ms, la force de contact diminue. Le ressort qui plaque l’électrode contre l’électrode fixe commence à se détendre mais les électrodes se touchent encore. Le courant passe toujours. Juste avant 25 ms, les électrodes commencent à s’écarter et une tension de l’ordre de 12 V apparaît. C’est la somme des chutes de tension anodique et cathodique, notée Va+ Vc dans l’équation 1.1. Cette tension augmente avec l’écartement de l’électrode
mobile par rapport à l’électrode fixe jusqu’à atteindre environ 25 V, du fait de l’allongement de l’arc. Puis vient le passage du courant à zéro et brutalement l’arc électrique disparaît, remplacé par la tension du réseau, ici 230 V. Cette dernière apparaît tronquée du fait de l’échelle choisie pour mieux voir ce qu’il se passe au niveau de la tension d’arc.
Après l’arc, les électrodes continuent de s’écarter jusqu’à la butée de 8 mm atteinte vers 40 ms, la tension du réseau se rétablit mais le courant reste à zéro. Le courant est définitivement interrompu. Pour le triphasé, l’interruption du courant est décrite par la figure 1.7 ainsi que dans [4], lors d’un essai électrique sur contacteur, ayant quatre électrodes soit deux contacts par phase (ou pôle) de courant. L’évolution de l’intensité des courants et des tensions aux bornes de chaque phase sont représentées. Le déphasage entre la tension et le courant est défini par un angle ϕ en radian, ici cos ϕ = 0, 35. Avant
inflexion
Figure 1.7 – Exemple de signaux électriques lors de l’ouverture d’un contacteur en triphasé avec une
intensité de courant de 100 A efficace, une tension après coupure de 54 V soit un sixième de la tension réseau, et un déphasage de cos ϕ = 0, 35, en circuit selfique.
la coupure, les intensités des courants valent 100 A efficace avec un déphasage de 2π/3 entre deux phases. Les tensions sont faibles. Elles correspondent chacune à la somme des deux tensions de contact en série alors que le contact est fermé. L’origine des temps est calée sur l’apparition des premiers arcs sur la phase 3.
Environ 6,5 ms avant l’apparition des premiers arcs, l’équipage mobile du contacteur commence à se déplacer, après que l’ordre a été donné à la bobine de l’électroaimant de commande d’ouvrir le circuit et que les trois ressorts de pôles commencent à se détendre. À t = 0, 0,5 et 1,5 ms trois tensions d’arc commencent à apparaître sur les pôles respectifs 3, 2 et 1, les petits décalages entre eux étant dus au fait que les pôles ne s’ouvrent pas de manière parfaitement synchrone. Chaque pôle crée une chute de tension de 2Uac soit
environ 24 V, car il y a deux arcs en série par pôle.
À 3,3 ms, au pôle 3 le courant devient nul et le reste. Ce pôle a interrompu le courant. Sa tension repasse en négatif. À partir de ce moment, la coupure passe en biphasée, les courants 1 et 2 sont de signes opposés. Leur pente change légèrement. Un courant monophasé s’établit entre ces pôles. Des inflexions sont visibles sur les courbes, pour l’exemple, elle est représentée sur le courant de la phase 3 mais elle existe sur tous les pôles.
À 5,5 ms l’interruption de courant monophasé est effective et simultanée pour les deux pôles restants. Le courant ne passe plus et les trois pôles rétablissent une tension sinusoïdale avec une phase de 2π/3 entre deux. Le pôle 2 voit un arc qui dure plus longtemps qu’aux pôles 1 et 3.
Parfois, il peut arriver que l’air soit encore très chaud, on assiste à un ou plusieurs réallumages thermiques d’arc, voir la figure 1.8. À chaque ouverture, nous avons vu qu’un arc se produit entre les deux électrodes de contact. Une part de l’énergie dissipée dans l’arc
a. b. c. arc 1 arc 2 zéros de courant
Figure 1.8 – Exemple de réallumage thermique d’arc vu sur machine ; avec un premier arc de polarité
négative puis un second arc de polarité positive d’énergie d’arc supérieure à la première. Ici, c’est l’énergie cumulée des deux arcs qui endommage et érode le matériau de la pastille.
Ainsi, lors de la fermeture d’un contact, des rebonds se produisent. Chacun représentant une mini-réouverture du circuit générant un arc électrique. Nous tenterons de voir si l’ouverture occasionne le plus de dommages que le rebond.
Fermeture et rebonds
Le rebond intervient lors de la fermeture. Idéalement, la fermeture du contact, repré-sentée figure 1.9, fait passer de manière instantanée d’un circuit ouvert, avec une tension triphasée de courant nul, à un circuit fermé, avec un courant triphasé et une tension de contact nulle.
Avant t =0 ms, une tension existe sur chaque phase car le contact est ouvert. Peu avant cet instant, les tensions subissent des discontinuités, puis aussitôt les courant I2
et I3 s’établissent. Le courant I2 en orange, avec une vitesse de montée de courant de
200 A·ms−1, est l’onde dite «symétrique». Le courant I
3 en violet, avec une vitesse de
montée de courant de −190 A·ms−1, est l’onde dite «de petite boucle», puisque le courant
reste quelques négatif pendant quelques millisecondes avant de redevenir positif. Vers t = 0,6 ms, le courant I1 en bleu s’établit, sa vitesse de montée est de −250 A·ms−1, c’est
l’onde dite «asymétrique». I2 passe alors à 250 A·ms−1 et I3 se met à croître. Mais si l’on
regarde de plus près, différents phénomènes se produisent pendant la fermeture.
On distingue deux cas. Le premier cas est la phase de fermeture mécanique (voir
figure 1.10) qui est un zoom de la zone en pointillés sur la figure 1.9. Cela permet de visualiser les rebonds mécaniques se produisant avant t =0 ms. On peut observer des signaux de tension ne suivant plus une sinusoïde, mais un courant qui n’est toujours pas établi. Il n’a donc pas d’arc électrique. Après t =0 ms, nous passons au second cas. Le second cas concerne la fermeture électrique, voir figure 1.11qui est un zoom de la zone en pointillés sur la figure 1.11. Le courant commence à passer et il se produit des petits sauts de tension, signe que des petits arcs électriques apparaissent.
Figure 1.9 – Exemple de signaux électriques lors de la fermeture d’un contacteur en triphasé avec une
tension simple efficace de 230 V, un courant établi de 600 A et un déphasage cos ϕ = 0, 35. Le rebond se produit dans la zone en pointillés.
C’est à ces instants de rebond que le risque de soudure des pastilles est le plus fort car les zones affectées thermiquement par l’arc contiennent encore du métal en fusion qui peut se solidifier au rebond suivant et lors de la fermeture. Ces rebonds sont dus au fait que, lors de la fermeture, le ressort principal amène les pastilles du porte-électrode mobile contre les pastilles fixes. Les ressorts de pression de contact viennent plaquer les pastilles de contact l’une contre l’autre, mais à cause de la vitesse à l’impact du porte-électrode mobile, ceci génère des rebonds. Les pôles 1 et 2 se ferment en même temps. Le pôle 3 prend un petit retard de 0,25 ms par rapport aux deux autres. Ceci s’explique par le fait que les six paires de contacts ne se ferment pas de manière parfaitement synchrone et que le pont mobile peut se fermer un peu en biais. Quand la fermeture et la coupure se produisent en courant triphasé, elles sont différentes selon les phases. Si l’on considère l’énergie de l’arc pour une paire d’électrodes, sans réallumage thermique de l’arc et sans considérer la répartition des énergies sur les électrodes, la formulation générale de cette énergie dissipée par l’arc est :
Earc =
Z
∆tarc
uarc(t)i(t) dt (1.5)
avec :
Earc énergie d’arc (J)
∆tarc durée de l’arc (s)
uarc(t) tension d’arc (V)
i(t) intensité de courant dans le circuit (A)
Afin de comparer les énergies dissipées dans l’arc lors de la fermeture et l’ouverture par phase, nous proposons le tableau 1.1 qui donne les résultats de calcul d’énergie ainsi que les durées d’arc, à la fermeture (figure 1.11) et à l’ouverture (figure 1.7), par phase.
Figure 1.10 – Fermeture mécanique des contacts sous tension et courant, zoom de lafigure 1.9. La zone en pointillés met en évidence les rebonds électriques.
Uac rebond 2 arcs en série rebond 1 arc en série Δtreb. Δtreb. -Uac -2Uac
Figure 1.11 – Fermeture électrique des contacts, zoom de lafigure 1.10, faisant clairement apparaître les rebonds ; leur nombre et leur durée permettent de calculer l’énergie d’arc de rebond à l’établissement du courant.
Tableau 1.1 –Comparaison des estimations d’énergies d’arcs et de temps d’arcs totaux à la fermeture et
à l’ouverture par phase.
Rebonds Ouverture Phase t (ms) E (J) t (ms) E (J)
1 0,5 0,3 3,8 5,5
2 1,0 1,3 4,8 11,5
3 1,8 2,6 3,4 8,2
L’énergie dissipée n’est pas la même dans chaque phase. À la fermeture, c’est la phase 3 qui subit le plus d’énergie, à l’ouverture c’est la phase 2. D’autre part, l’énergie qui va contribuer à l’endommagement lors de la coupure est environ un ordre de grandeur supérieure à celle qui est engendrée lors des rebonds par la fermeture dans cet exemple. L’énergie dissipée dans l’arc lors de la phase de rebond est d’environ un ordre de grandeur plus faible que celle dissipée lors de l’ouverture. Il faut cependant garder à l’esprit deux éléments importants :
— lors de l’ouverture du contact, les éjections de métal fondu sont causées principale-ment par les forces de Laplace dans le bain fondu ainsi que par les gradients de tension superficielle (effet Marangoni). Lors de la phase de rebonds, à ces deux forces vient s’ajouter l’effet de l’impact de l’électrode mobile sur l’électrode fixe qui peut fortement contribuer à l’éjection de métal fondu ;
— la soudure des électrodes de contact ne peut avoir lieu que lors de la phase de fermeture.
Dans la suite, notre travail a cependant principalement porté sur la phase d’ouverture du fait même des énergies mises en jeu.
Cette section nous a permis de présenter succinctement les phénomènes d’arcs à l’ouverture et les arcs de rebond. La paragraphe suivant va se focaliser sur le matériau des pastilles d’électrodes et leur fabrication.
1.2.2 Matériaux d’électrodes
Les câbles électriques sont en général en cuivre, car celui-ci est bon marché, de l’ordre de 4,30 e/kg et possède une bonne conductivité électrique 59,6 MS·m−1. Il n’est
cepen-dant pas adapté pour les contacts car il s’oxyde à température ambiante dans l’air, et la formation de ses oxydes Cu2O et CuO activée par la température rend rapidement isolant
le contact. La conduction est dégradée et le contact chauffe anormalement, entraînant l’échauffement de tout l’appareil.
C’est pour cela que l’argent est utilisé. L’argent pur a une meilleure conductivité électrique que le cuivre, soit 63 MS·m−1. Il est aussi peu sensible à l’oxydation et sa mise
en forme est aisée, car il est ductile, comme le cuivre. Par contre, il peut facilement donner lieu à des soudures. De plus, l’argent est très sensible en atmosphère sulfurée. Il ne peut donc pas être utilisé seul. C’est pourquoi un renfort est introduit dans la matrice Ag très conductrice, pour améliorer sa tenue mécanique et son endurance à l’arc électrique.
visqueux sous une même température, si bien que l’érosion s’en trouve limitée. La nature des renforts est variable. Ce sont soit des métaux réfractaires (nickel, tungstène), des oxydes métalliques (de cadmium CdO, de zinc ZnO, d’étain SnO2) ou bien encore du carbure de
tungstène WC, du graphite. Aucun renfort ne peut satisfaire toutes les applications électro-techniques, toutefois, les oxydes métalliques semblent présenter le meilleur compromis pour les contacteurs. La faible solubilité entre l’Ag et le renfort d’oxyde métallique, comme SnO2
qui fond à une température très supérieure à celle de l’argent, écarte la fonderie par coulée comme moyen de production. C’est pourquoi on utilise pour la fabrication du matériau la métallurgie des poudres, avec une étape de frittage en dessous de la température de fusion de l’argent [8].
Une fois le frittage choisi comme procédé industriel, il faut mélanger les constituants de façon rapide et efficace. On a ainsi recours à des dopants, avec une teneur en masse de quelques dixièmes de pourcent, qui sont parfois aussi des oxydes métalliques. Les dopants permettent une meilleure mouillabilité entre l’argent et le renfort en oxyde [9]. On peut citer CuO, Bi2O3, WO3, MoO3 ou In2O3.
La teneur de 12 % en masse de SnO2– CuO correspond à un compromis choisi par
Schneider Electric. En dessous de cette valeur, il y a un risque plus élevé de soudure. Au-dessus, la résistance de contact grimpe avec le cumul des arcs électriques. Des récentes recherches étudient le matériau avec une teneur de 14% [10], et des essais ont été faits avec jusqu’à 30 % de SnO2 en masse [11]. De surcroît, les paramètres conductivité et dureté
baissent de plusieurs dizaines de pourcent quand le taux de d’oxyde d’étain augmente [12]. L’élaboration de la poudre de Ag-SnO2-CuO à l’usine Schneider Electric du Vaudreuil
se fait par co-précipitation d’argent et de cuivre avec de la poudre SnO2 calibrée, dont la
taille des grains est contrôlée de l’ordre du micron. Pour simplifier toutes les équations chimiques, les ions «spectateurs» n’apparaîtront pas. Ag et Cu arrivent sous forme de nitrate AgNO3 et Cu(NO3)2 qu’il faut d’abord hydrater :
Ag(NO3)(s)−−→ AgH2O +(aq) + NO3 − (aq) Cu(NO3)2(s) H2O −−→ Cu2+(aq) + 2 NO3 − (aq) (1.6) (1.7) Puis on fait co-précipiter les ions argent et les ions cuivre avec de la soude NaOH, ensemble avec le SnO2 solide sous forme de poudre :
Ag+(aq) + OH− (aq) −−→ Ag(OH)(s) ↓ Cu2+(aq) + 2 OH− (aq) −−→ Cu(OH)2(s) ↓ (1.8) (1.9) Les précipités sont centrifugés et séchés une première fois pour donner l’oxyde d’argent et l’oxyde de cuivre : 2 Ag(OH)(s) ∆ −−→ Ag2O(s) + H2O(g) ↑
Cu(OH)2(s)−−→ CuO(s) + H∆ 2O(g) ↑
(1.10) (1.11) Le mélange subit dans un deuxième temps un traitement thermique pour enfin obtenir l’argent désiré :
Figure 1.12 –Coupe d’une pastille sur son substrat, ses éléments de liaisons et les compositions chimiques de chaque élément.
L’oxyde d’étain et l’oxyde de cuivre étant stables, il n’y a pas de réaction supplémentaire au traitement thermique. On peut passer à l’étape de mise en forme de la poudre par compression pour réaliser une pastille cylindrique ou parallélépipédique.
Un sabot est rempli de poudre, qui vient remplir une matrice. La poudre est ensuite comprimée avec une pression de quelques centaines de MPa. Puis vient une phase de frittage, où les grains de poudres en argent, SnO2 et CuO se soudent entre eux par un
mécanisme de diffusion en phase solide. À la sortie du four, les pastilles sont incurvées à cause du retrait de frittage, et des différences de coefficient d’expansion thermique entre le matériau de contact Ag – SnO2 et sa sous-couche en argent. Il faut donc procéder à un
calibrage également de quelques centaines de MPa. Enfin vient la phase de recuit qui finalise le procédé pour relaxer les contraintes internes dues au calibrage. La figure 1.12 montre l’assemblage de la pastille sur son substrat, réalisé à l’aide d’un brasage par induction, ainsi qu’une photographie des électrodes fixe et mobile.
Nous venons de voir comment les pastilles de contact en Ag – SnO2– CuO sont fabriquées.
Ce qui suit présente des types d’endommagement déjà observés sur ce matériau.
1.2.3 Endommagement des pastilles de contact
On répertorie plusieurs types d’endommagement par accumulation d’arcs électriques sur des pastilles de contacts. En premier lieu, on rencontre des pertes de matière par évaporation du métal ou éjection de métal fondu, ce qui détruit la géométrie initiale des pastilles. Par ailleurs, des bulles de taille micrométrique peuvent se former sous la surface. Des fissures apparaissent et se propagent depuis la surface avec une trajectoire orthogonale à celle-ci vers le substrat. Elles peuvent aussi s’amorcer sous la surface de la couche endommagée et se propager parallèlement à la surface, ou de manière oblique. Les fissures peuvent se rejoindre et provoquer le départ de fragments solides des pastilles. Tous ces processus contribuent à l’érosion des pastilles. L’accumulation des arcs provoque le vieillissement du système, lié à un phénomène de démixtion : la matrice argent se retrouve progressivement dénuée du renfort en SnO2 [13, 14].
Des études mettant en œuvre le matériau de notre étude ont été menées dans le passé, chez Schneider ou ailleurs, confirmant chacun de ces processus [15]. L’influence de différents paramètres a été étudiée. Ainsi, plus la taille des particules de SnO2 diminue, plus la
Électrode fixe Électrode fixe Porte-électrode mobile + ressort de rappel
Figure 1.13 – Architecture du contacteur de la société Schneider Electric.
de masse, et la tenue face à l’érosion augmentent [16].
L’ajout de dopant CuO lors du procédé de fabrication des pastilles améliore quant à lui la mouillabilité de Ag et SnO2. Le CuO semble avoir une influence de quelques pourcent
sur la conductivité, qui augmente avec la quantité de CuO, et la dureté, qui diminue. L’érosion du matériau sous l’effet de l’arc diminue donc par ajout du CuO dans le matériau Ag – SnO2 [17,18].
1.3 Contacteur D115 de Schneider Electric
Dans cette partie, nous décrivons en détail la structure et le fonctionnement du composant qui fait l’objet de notre étude, le contacteur D115 de Schneider Electric.
1.3.1 Architecture
Un contacteur fait partie des appareils à fonctionnement actif pour l’établissement et l’interruption du courant électrique. C’est un actionneur de type électroaimant commandé à distance qui ferme ou ouvre le circuit électrique [4, 19]. La commande est en «tout-ou-rien», c’est-à-dire que le circuit est fermé ou ouvert sans transition ni modulation du courant.
Le contacteur est constitué par les éléments exposés enfigure 1.13. Il y a deux carcasses en acier feuilleté. L’une est fixe, fixée sur le boîtier via un ressort en élastomère, avec une bobine. L’autre est mobile et montée sur ressort. La carcasse mobile est liée au porte électrode-mobile, appelé porte-électrode mobile par abus de langage de Schneider Electric. Lorsque le courant de commande passe, les deux carcasses se touchent et le courant de puissance est établi. Quand il n’y a plus de courant dans la bobine, les ressorts repoussent le porte-électrode mobile, le circuit de puissance est donc normalement ouvert. Le contacteur fonctionnant en triphasé et double contact, on dénombre donc six électrodes et pastilles fixes solidaires du boîtier. On trouve six électrodes mobiles solidaires du porte-électrode
fenêtre visualisation état contacts fermé/ouvert
connecteurs serrage câbles de puissance alimentation bobine par dessous carcasse, électroaimant, noyau magnétique, bobine excitatrice et deux ressorts de rappel à l'intérieur capot et couvercle T₁ T₂ T₃ L₁ L₂ L₃ phas es amo nt ph ases ava l contact fixe pont mobile porte-électrode mobile ressort de pression de contact mobile plage de raccordement câble argenturé
Figure 1.14 – Photographie du contacteur D115 étudié : à gauche, tel quel ; à droite, sans son couvercle
afin de laisser apparaître les trois phases et les six contacts équipés de leurs pastilles, avec également les trois ressorts de pression de contact (1 par phase).
mobile, ayant chacun deux pastilles, donc six pastilles mobiles. Le type de contacteur qui va nous intéresser plus spécifiquement dans cette étude est le contacteur TeSys de Schneider Electric, soit deux calibres nominaux3 pour U
e= 400 V pour une certaine catégorie :
— D115 : Ie= 97 A
— D150 : Ie= 132 A
Le contacteur illustré enfigure 1.14fonctionne en courant triphasé et permet de commander le démarrage ou l’arrêt des moteurs dits «à cages»4. On observe que le circuit puissance, avec ses trois pôles, dans la partie haute du contacteur est bien séparé du circuit commande dans la partie basse constitué par l’électroaimant, la bobine et éventuellement de l’électro-nique embarquée pour rendre l’appareil «intelligent». Notons qu’il existe plusieurs sortes d’électroaimants caractérisés par leur fréquence et leur tension de commande5. Schneider Electric propose à ses clients industriels de pouvoir changer les contacts fixes et mobiles dans le cadre de leur maintenance annuelle. Pour notre étude, cette interchangeabilité des contacts s’est avérée fort pratique.
Letableau 1.2 précise les caractéristiques mécaniques, de dynamique de fermeture et d’ouverture de l’électroaimant et du porte-électrode mobile pour le contacteur D115. La présence des ressorts nous oblige à indiquer deux valeurs distinctes, lorsqu’il y a contact et lorsque le ressort est comprimé. Les valeurs des forces d’appui sont données pour les ressorts de rappel en compression.
3. exprimés en intensité de courant et tension nominaux d’emploi Ie et Ue.
4. de puissances respectives 55 kW et 75 kW sous 400 V triphasé.
5. par exemple le P7 50/60 Hz en 230 V AC, il en existe aussi en DC, voir le catalogue Schneider Electric.
Tableau 1.2 –Caractéristiques mécaniques et dynamiques, de fermeture et d’ouverture du contacteur
D115.
Distance d’ouverture maximale Pastilles dans l’air 6,20 ± 0,56 mm Course de l’électroaimant 8,83 ± 0,68 mm
Forces d’appui à la fermeture À l’écrasement des ressorts 9,1 N
Enfoncement et écrasement de pôle Écrasement contacts 2,63 ± 0,68 mm
Vitesses moyennes
Fermeture 1,0 ± 0,2 m·s−1
Ouverture 0,70 ± 0,12 m·s−1
L’accumulation des arcs électriques sur les pastilles de contact mène le dispositif à sa perte de fonctionnalité par différents mécanismes :
— usure. Il y a non continuité du courant, les pastilles ne se touchent plus, le contact ne ferme plus ;
— soudure des pastilles de contact électrique. Il devient impossible de manœuvrer l’appareil ;
— non passage du courant suite à une accumulation d’oxydes en surface. Ces trois défauts principaux ont pour conséquence la fin de vie du contacteur.
Nous avons vu brièvement le fonctionnement et les caractéristiques du contacteur D115. Ce qui suit va montrer un dispositif censé réduire l’impact des arcs sur le matériau de contact sans le supprimer totalement.
1.3.2 Dispositifs d’extinction des arcs
Pour éviter que les arcs ne stagnent trop sur les pastilles, la géométrie des amenées de courant a été choisie de telle façon que, sous l’action des forces de Laplace, l’arc soit chassé des contacts et envoyé dans la chambre de coupure. Ce système est appelé «faux J» au sein de la société Schneider Electric. Les contacteurs ont une exigence de tenue en endurance. Ils doivent supporter des cycles de fermetures-ouvertures (FO) beaucoup plus nombreux qu’un disjoncteur ou un interrupteur (environ 106 FO) qui quant à eux
ont un objectif de rapidité de coupure. On préférera donc chasser l’arc en s’efforçant de ne pas augmenter sa longueur, car cela augmenterait la tension d’arc et son énergie, et produirait un endommagement plus important des pastilles. L’arc est soufflé et se retrouve segmenté entre des ailettes de coupure. On multiplie ainsi les chutes de tension anodiques et cathodiques, jusqu’au passage par un zéro de courant. Le schéma en figure 1.15 rend compte de ce phénomène. Nous adaptons donc l’équation 1.1qui simplifie la tension d’arc par une formule adaptée dans ce contexte technique du passage de l’arc dans la chambre de coupure :
F J J e d axe de symétrie amont H N pont mobile
contact fixe aval
Figure 1.15 – Segmentation de l’arc, poussé par la force de Laplace F entre les différentes ailettes de la
chambre de coupure. Le but est d’évacuer l’arc des pastilles (en gris), et de l’éteindre par refroidissement et perte de conductivité électrique.
avec :
Uarc tension d’arc (V)
Va chute de tension anodique (V)
Vc chute de tension cathodique(V)
E champ électrique moyen entre les ailettes (V·m−1)
d longueur de l’arc (m)
N nombre d’ailettes dans les chambres de coupure e épaisseur des ailettes (m)
Les chambres de coupure en figure 1.16 sont placées directement de part et d’autre des pastilles. Les ailettes sont en acier cuivré, car l’acier seul rouille. Les ailettes peuvent aussi être en acier nickelé [20]. Le cuivre permet une bonne tenue contre la corrosion et évite les coulures de rouille. Ici par exemple, avec quatre ailettes de 1 mm d’épaisseur, une longeur d’arc de 30 mm, un champ électrique moyen de 5 V·mm−1, une chute de tension
de 20 V, on trouve 230 V. Pour peu que l’arc s’allonge encore un peu plus, cette tension dépasse celle du réseau, ce qui fait disparaître l’arc. Ces sections ont montré la constitution d’un contacteur D115 de Schneider Electric. En particulier nous avons vu le dispositif permettant de chasser l’arc pour limiter l’érosion des pastilles de contact. La section suivante va exposer des éléments concernant les normes des catégories d’utilisation des contacteurs.
1.4 Catégories d’utilisation des contacteurs en
endu-rance électrique
Les industriels du secteur ont trouvé un consensus pour définir des performances stan-dards que doivent atteindre les produits fabriqués. Par exemple, les normes internationales [21], de niveau mondial, traitent des contacteurs et disjoncteurs. Ce qui nous intéresse ici concerne les contacteurs, en courant alternatif, pouvant connaître des surtensions et surintensités. Nous allons considérer plus particulièrement les catégories d’emploi AC-3 et
bloc de quatre ailettes V d'entrée canalisant l'arc joues plastiques du capot couvercle
Figure 1.16 – Photographie de trois chambres de coupure où l’on peut distinguer quatre ailettes en acier cuivré par chambre ; elles ont la particularité de présenter un V d’entrée afin de canaliser l’arc.
La catégorie AC-3 concerne le démarrage des moteurs et leur arrêt quand ils sont lancés. La catégorie AC-4 s’applique aux moteurs, au démarrage, fonctionnant par à-coups et par inversion de sens de marche. Cette utilisation est plus «fatigante» pour les pastilles de contacts du contacteur : c’est typiquement ce qui se passe quand un opérateur manœuvre un palan ou une grue.
Afin de pouvoir comprendre la suite, définissons quelques grandeurs : I intensité du courant après établissement ;
Ic intensité du courant juste avant la coupure ;
Ie intensité de courant nominale d’emploi ;
U tension du réseau ;
Ur tension de rétablissement après la coupure ;
Ue tension nominale d’emploi ;
cos ϕ cosinus du déphasage entre le courant et la tension.
Le tableau 1.3, relatif aux essais d’endurance, permet de visualiser les tensions et courants utilisés pendant les essais, ainsi que le nombre de cycles de fermeture-ouverture. Ce test est dit essai de durabilité électrique. Il est prescrit dans l’annexe B de la même norme. Nous nous focaliserons sur la catégorie d’emploi AC-3 600/100 A avec le contacteur D115. En support, letableau 1.4 permet de visualiser les rapports de tension et d’intensité à l’établissement et à la coupure selon la catégorie d’emploi.
